Le codage spectral Ultra Large Bande (ULB) appliqué aux dispositifs `a ondes élastiques de surface(SAW), exploit ´es comme capteurs passifs interrogeables par liaison radio fréquence, augmente lenombre de données stockées et échangées, et améliore la résolution sur la mesure. L’approcheproposée est de réaliser des dispositifs SAW ULB dans la bande de fréquence 2 GHz − 2.5 GHzréglementée par la norme de communication radio fréquence américaine, après prototypage dansune bande de fréquences plus basses de 200 MHz − 400 MHz. La puissance autorisée sur cettepremière bande est de −41.3 dBm/MHz : pour un dispositif SAW ayant des pertes d’insertion del’ordre de 30 dB, la distance d’interrogation établie par application de l’ équation du RADAR estthéoriquement limitée `a environ 1 m. Afin d’avoir la portée la plus grande possible, nous avonsétudié plusieurs architectures de dispositifs SAW : standards et modulés linéairement en fréquence,pour limiter les pertes d’insertion. A l’aide d’un lecteur embarqué, nous avons réalisé des mesuresen température sans fils simultanées de trois capteurs, apportant une solution au problème decollision. La résolution en température atteinte est de 0.1 _C pour une distance de mesure de 20 cm.Nous montrons que la communication ULB est aussi une solution pour l’interrogation sans fils enmilieux réflectifs aux ondes radio fréquences. `A l’aide d’un synthétiseur de fonction arbitraire et d’unoscilloscope, nous montrons expérimentalement que le retournement temporel fonctionne sur lesdispositifs SAW LFM et qu’il bénéficie du gain de traitement ce qui améliore le rapport signal surbruit. / Applying Ultra Wide Band (UWB) spectral coding to surface acoustic wave (SAW) devices, usedas passive sensors interrogated through a radio frequency link, increases the number of stored andexchanged data and improves the measurement resolution. The proposed approach is to design SAWUWB devices in the frequency band of 2 GHz − 2.5 GHz complying with the American radio frequencycommunication standards after prototyping them in the lower 200 MHz − 400 MHz frequency band.The authorized emitted power is −41.3 dBm/MHz: for a SAW device exhibiting insertion losses ofabout 30 dB, the interrogation distance determined by the RADAR equation adapted to SAW devicesis theoretically limited to 1 m. In order to improve the reading distance, we investigated severalarchitectures as standard SAW devices and as linear frequency modulated (LFM) devices, in order toreduce insertion losses. Using an embedded SAW reader, we simultaneously measured temperatureon three sensors, showing a solution to the problem of collision. The temperature resolution reachedwas 0.1 C for a reading distance of 20 cm. We show that the UWB communication is also a solutionfor communications in radio frequency wave reflective environment. Using a arbitrary waveformgenerator and an oscilloscope, we also show experimentally, that time reversal works on LFM SAWdevices, with the response signal to noise ratio improved by the processing gain

Le retour haptique disponible aujourd'hui dans les produits grand public est d'un intérêt limité pour les interactions tactiles et moins efficace que l'utilisation d'un clavier physique pour la saisie de texte. Relativement simple, celui-ci ne peut communiquer que peu d'informations : signaler silencieusement un appel, notification de messages ou confirmation de frappe de touches sur clavier virtuel. Bien que des améliorations aient été apportées aux technologies haptiques existantes, comme des actionneurs plus performants et des gammes de vibrations plus larges afin de simuler des boutons ou des textures, elles restent limitées à un retour tactile unique. Ceci empêche tout usage multi-doigts ou multi-utilisateurs en simultané.Ce travail vise à développer un retour tactile statique et dynamique sur grande surface (format A4). Les interactions avec les écrans tactiles nécessitant un retour tactile plus riche et plus performant, deux types de retour complémentaires ont été identifiés afin de les enrichir. Le retournement temporel des ondes de flexions dans les plaques est étudié afin de simuler l'appui sur un bouton (retour statique). La 2ème approche se base sur la stimulation par électrovibration, qui permet de simuler des textures ou de différencier des zones d'interactions (retour dynamique). Afin d’estimer de manière précise la résolution spatiale du procédé tactile par retournement temporel, un modèle analytique basé sur l'équation de Kirchhoff est proposé. Des mesures expérimentales confrontées au modèle ont permis de le valider. Par ailleurs, des règles de conception sont élaborées et appliquées pour le développement d'un nouveau prototype avec une électronique dédiée sur une plaque en verre de faible épaisseur (1.1 mm). Différents types de signaux de commande sont étudiés. La quantification sur un bit (i.e. signaux de forme carré) avec filtrage des fréquences audibles s’avère être l'alternative la plus efficiente en terme d'amplitude de déplacement générée et de réduction des émissions sonores. Des problématiques de dimensionnement, comme le placement des actionneurs, l'homogénéité de la résolution spatiale et l'amplitude de déplacement sont analysées. L'effet de la force d'appui du doigt sur l'amplitude de déplacement est quantifié (6 % de perte d'amplitude dû à une force d'appui de 2 N sur une localisation autre que le point de focalisation, et jusqu'à 37 % pour la même force d'appui sur le point de focalisation).Le seuil de détection d'une focalisation par retournement temporel mesuré sur 10 utilisateurs se situe à environ 10 µm et est peu influencé par la force d'appui de l'utilisateur sur l'écran. En répétant la focalisation des ondes de manière à former un signal modulé en amplitude, il devient possible de générer des retours tactiles enrichis, notamment de simuler le comportement du clic d’un bouton poussoir. Des motifs avec des fréquences de répétition et des enveloppes différentes sont comparés. Il apparaît qu'une fréquence de 200 Hz et une enveloppe en sinus cardinal sont les plus plaisants pour l’utilisateur.Par ailleurs, l'électrovibration produit des stimuli capables de reproduire une sensation de texture, en modifiant le coefficient de friction entre le doigt et la surface à explorer. L’intensité de ces stimuli dépend de l'épaisseur de peau du bout du doigt. Les seuils de détection des mécanorécepteurs sont dépendants de la fréquence du signal appliqué. Une étude utilisateur ayant pour but de déterminer l'influence de la force d'appui sur le seuil de détection d’une stimulation par électrovibration a été conduite. Les seuils minimaux ont été observés pour une fréquence de 240 Hz. La force d'appui a une influence limitée sur les seuils de détection.La combinaison des deux approches de stimulations (retournement temporel et électrovibration) sur une même surface offre un retour tactile riche et multi-point pour une interaction statique (simulation de clics) et dynamique (simulations de textures). / The current haptic feedback in end user products provides limited tactile interactions and is less efficient than physical keyboards for typing. Most people are used to the simple tactile feedback available in smartphones. However, it is very limited, and can only convey little information: silently signaling a phone call, notifying an incoming message or acknowledging touch inputs when typing on a virtual keyboard. Although advances are made to enrich existing technologies in hand-held devices, such as more efficient actuators with broader ranges of vibrations to emulate buttons or textures, they remain limited to a single point feedback. This prevents any simultaneous multi-user scenario.This work aims to develop static and dynamic haptic feedback on large surfaces (A4 format). Interaction with screen based devices is in need of better and richer haptic feedback. Two types of feedback with complimentary performance are identified as necessary to enrich tactile interactions. Time reversal, as a static feedback technology, is studied to simulate a button press. Electrovibration, as a dynamic feedback, is investigated to simulate tactile textures or to differentiate specific areas of interaction.An analytical model based on Kirchhoff's equation for wave propagation to compute the spatial resolution of time reversal of flexural waves applied to plates is presented. Measurements on a physical system are confronted to the model's prediction. Design guidelines are elaborated and used to develop a new time reversal enabled screen with adapted drive electronics, on a 1.1 mm thick glass plate. Driving signal alternatives are investigated. Signals quantified on one bit (i.e. square type signals) with audible frequencies filtered out are found to be the most efficient in terms of amplitude generation and audible noise emission. Integration issues, such as the actuators’ distribution on the plate and their impact on focalisation point's amplitude and spatial resolution homogeneity are investigated. The effect of the fingertip pressure on the amplitude vibration is studied (6% loss of amplitude due to a 2N force applied by a fingertip on a position other than the focalisation location, and up to 37% for the same force at the focus point's location).The detection threshold measured on ten users is found to be about 10 µm and is not influenced by the force applied on the screen. While a single impact (one impulse) demonstrates the feasibility of time reversal for tactile feedback, a repetition of impacts varying in amplitude offers the possibility to generate richer haptic feedback (such as a button click). Patterns with different repetition frequencies and envelopes are compared in a user study. It appears that frequencies of 200 Hz and the smoothness of the cardinal sine envelope are found to be the best in terms of pleasantness.On the other hand, electrovibration stimulations are able to create a texture feedback by modifying the apparent friction coefficient between the fingertip and the surface. The electrostatic force generation depends on the fingertip skin's thickness. The mechanoreceptors detection threshholds are frequency dependent. A user study on the influence of the applied force on the perception threshold of tactile feedback is presented. The minimum perception thresholds are observed for 240 Hz stimulus. The effect of the applied force appears to have limited effect on the perception threshold.The combination of both stimulation approaches (time reversal and electrovibration) on a single surface will offer a rich multi-point tactile feedback, both for static buttons and dynamic textures.

Dans cette thèse nous proposons de développer un système d’imagerie ultrasonore innovante de micro- défauts basé sur l’utilisation conjointe de techniques d’acoustique non linéaire et du concept de "transducteur à cavité chaotique". Ce transducteur correspond à la combinaison d’une céramique piézoélectrique collée sur une cavité de forme chaotique et du principe de retournement temporel. La faisabilité et les performances de ce nouveau système sont explorées par des simulations numériques. Des paramètres optimaux d’utilisation pour une implémentation expérimentale sont proposés. Une grande partie des travaux menés dans le cadre de cette thèse se concentre sur le développement d’outils numériques permettant l’amélioration de telles techniques d’imagerie. Un schéma d’éléments finis de type Galerkin Discontinu (GD) est étendu à l’élastodynamique non linéaire. Un type de zone absorbante parfaitement adaptée, appelée "Nearly Perfectly Matched Layer" (NPML) a aussi été développé. Dans le cas de matériaux orthotropes, comme des problèmes de stabilité apparaissent, un mélange de NPML et de zone atténuante, dont on contrôle la proportion respective, est introduit afin de stabiliser les NPML. Une validation expérimentale du concept de "transducteur à cavité chaotique" pour la focalisation dans un milieu solide, réverbérant ou non, en utilisant une seule source est réalisée. Les méthodes de retournement temporel et de filtre inverse sont présentées et comparées. La démonstration expérimentale qu’un "transducteur à cavité chaotique" peut être utilisé conjointement avec les méthodes d’inversion d’impulsion afin de réaliser une image de non linéarités localisées est présentée / In this thesis we propose the development of an innovative micro-damage imaging system based on a combination of Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy techniques and “chaotic cavity transducer” concept. It consists of a combination of a PZT ceramic glued to a cavity of chaotic shape with the time reversal principle. The feasibility and capabilities of these new ideas is explored by numerical simulations, and optimal operational parameters for experimental implementation are suggested based on the modelling support. A large part of the research work conducted in this thesis is concentrated on the development of numerical simulation tools to help the improvement of such nonlinear imaging methods. A nodal Discontinuous Galerkin Finite Element Method (DG-FEM) scheme is extended to nonlinear elasto-dynamic including source terms. A Perfectly Matched Layer absorbing boundary condition well adapted to the DG-FEM scheme, called Nearly Perfectly Matched Layer (NPML), is also developed. In the case of orthotropic material as stability problems appear, a mixture of NPML and sponge layer, with a controllable ratio of these two kinds of absorbing layers, is introduced. The experimental validation of “chaotic cavity transducer” to focalize in reverberant and non-reverberant solid media with only one source is made. Classical time reversal, inverse filter and 1 Bit time reversal process are discussed and compared. The experimental demonstration of the use of a “chaotic cavity transducer”, in combination with the pulse inversion and 1-bit methods, to obtain an image of localized nonlinearity is made. This opens the possibility for high resolution imaging of nonlinear defects

L'interaction son-écoulement représente une source d'information non intrusive en hydrodynamique. Par exemple, en traversant un tourbillon, une onde acoustique est advectée, réfractée, et éventuellement diffusée. L'analyse des déformations du front d'onde conduit alors à une mesure des principales caractéristiques du vortex (position, taille et circulation). Dans une première partie expérimentale, nous montrons comment le retournement temporel permet d'amplifier l'effet d'un vortex sur une onde ultrasonore. L'utilisation de réseaux de transducteurs autorise une mesure à la fois spatiale et dynamique. Cette technique en transmission est testée sur trois écoulements modèles dans l'eau. Après avoir identifié et quantifié les différentes sources de bruit ou d'incertitude, nous validons notre technique par l'étude de la précession et de l'instabilité d'un vortex étiré. Nous mettons clairement en évidence la diffusion du son par un filament de vorticité. La seconde partie vise à simuler numériquement nos expériences. L'interaction son-écoulement est traitée par trois méthodes complètement différentes: tracé de rayons acoustiques, équation parabolique et différences finies. Ces simulations permettent d'étudier la validité de diverses approximations classiques pour la propagation du son en milieu mobile ainsi que l'influence de l'ouverture finie du faisceau incident. De plus, la prise en compte de la diffusion permet une très bonne modélisation des données expérimentales et conduit à une estimation de la taille du vortex. Enfin, nous proposons une étude numérique de l'onde diffusée par un tourbillon. Nous concluons ce travail en décrivant une nouvelle technique d'imagerie 2D d'un écoulement: l'inter-corrélation de "speckle" acoustique. Cette technique ultra-rapide est basée sur l'analyse du champ de pression rétro-diffusé par un fluide ensemencé de particules. Nous présentons des résultats préliminaires prometteurs qui viennent compléter ceux obtenus en transmission.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale des ondes à la surface de l'eau et se concentre sur deux sujets : valider la focalisation des ondes de surface par retournement temporel et caractériser la turbulence d'onde par analyse des spectres spatio-temporels. La problématique commune était la mesure de la déformation de la surface libre. Avec la technique de Profilométrie par Transformée de Fourier utilisée jusqu'à present, la coloration de l'eau par de la peinture usuelle a pour conséquence une atténuation des ondes par résonance d'ondes de films de surface. Une amélioration importante de la méthode permet une analyse fiable des phénomènes d'ondes en surmontant l'effet d'amortissement. Ce travail apporte ensuite la première preuve expérimentale de focalisation par retournement temporel des ondes de surface. Un unique canal de retournement temporel a suffi pour reconstruire l'onde à sa source initiale dans une cavité. Il a été démontré que la qualité de la focalisation augmente linéairement avec le nombre de canaux de réémission. Une autre partie de cette thèse concerne des expériences de turbulence d'onde effectuées pour deux bandes de fréquence de forçage avec différentes intensités d'onde. Selon la bande de forçage, deux régimes différents ont été observés. La pente de cascade d'énergie s'est révélée être dépendante du forçage, comme observé précédemment, ou indépendante. Dans ce dernier cas, les résultats sont en accord avec la théorie. La thèse traite également de la bathymétrie. En utilisant la "méthode du cercle" cette étude a permis de déterminer la profondeur d'eau par ajustement de la fonction de Bessel appropriée aux données expérimentales.

Cette thèse concerne l'étude du Retournement Temporel (RT) en milieu réverbérant, appliqué d'une part à la focalisation d'ondes acoustiques audibles longues de plusieurs secondes à caractère aléatoire dans une chambre réverbérante, et d'autre par à la localisation d'impacts à la surface de plaques minces réverbérantes. <br />Concernant cette première application, une focalisation spatiale des signaux est observée tant numériquement qu'expérimentalement. Il est montré à la fois théoriquement et expérimentalement que le contraste ne dépend que du nombre d'éléments du Miroir à Retournement Temporel. Enfin, la robustesse de la focalisation lorsque la réciprocité du milieu est brisée entre les deux étapes du RT est étudiée. <br />D'autre part, afin de localiser des impacts à la surface de plaques réverbérantes, une technique reposant sur la comparaison des signatures acoustiques par corrélation est développée. L'analogie avec le RT, ainsi qu'une étude de la nature des ondes excitées par un impact à la surface de plaques, permettent de comprendre les capacités de cette techniques en terme de résolution et contraste. L'interaction de l'onde majoritaire (onde de Lamb A0) avec les bords de la plaque est également étudiée. En outre, un code de simulation numérique de la propagation de ce mode par différences finies dans l'approximation faible produit fréquence par épaisseur est développé. Enfin, l'influence des variations de température sur la technique de localisation par corrélation est étudiée numériquement, théoriquement et expérimentalement, dans plusieurs matériaux. Un changement de température entraîne une simple dilatation des réponses impulsionnelles, et est aisément compensé.

L'évaluation de la fibrose hépatique est une source d'information essentielle pour le clinicien lors du diagnostic, traitement et suivi de maladies chroniques du foie. La société Echosens propose un appareil médical d'élastographie impulsionnelle ultrasonore, appelé Fibroscan. Cette technique consiste à mesurer la vitesse de propagation d'une onde de cisaillement dans le tissu hépatique engendrée par une sollicitation mécanique. La vitesse de cisaillement est directement reliée au degré de fibrose. Nous avons dans un premier temps développé des outils numériques basés sur la méthode des éléments finis pour étudier l'élastographie impulsionnelle, de façon à disposer d'observations dans des conditions expérimentales contrôlées. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à des pré-traitements temps réel du signal ultrasonore rétro-diffusé. Deux applications concrètes étaient visées : (i) l'estimation de la distance entre la sonde du Fibroscan et le parenchyme hépatique, (ii) la détection automatique d'une zone homogène du tissu hépatique. Enfin, nous avons analysé de façon détaillée la capacité de ces paramètres spectraux à discriminer les stades de fibrose vis à vis de l'élasticité. L'ensemble des résultats a été obtenu sur une cohorte de 181 volontaires. Dans une troisième partie, nous nous sommes intéressés au problème lié à la méconnaissance de l'angle d'observation de la sonde par rapport à la direction de propagation de l'onde de cisaillement. Nous sommes partis sur une approche souvent associée au retournement temporel ou au filtrage adapté. Une autre façon d'aborder le problème est d'utiliser une approche paramétrique par maximum de vraisemblance.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une méthode ultrasonore de prédiction du risque de fracture de la hanche. Nous pensons que l'estimation de l'épaisseur et des propriétés élastiques de la coque corticale améliorerait la prédiction de ce risque. L'exploitation des ondes guidées par la coque pourrait permettre d'obtenir ces estimées. Dans le cadre du contrôle non destructif, une méthode basée sur la décomposition de l'opérateur de retournement temporel (DORT) a permis de caractériser des tubes métalliques de section circulaire vides. L'objectif de la thèse est d'adapter cette méthode aux spécificités du col fémoral. Différents fantômes ont été construits afin de découpler les problèmes posés par les propriétés particulières de l'os. Un fantôme d'os vide de section circulaire a tout d'abord été utilisé pour optimiser les conditions expérimentales afin d'observer les ondes guidées circonférentielles en dépit des propriétés matérielles défavorables de l'os. Ensuite, l'étude en simulation de fantômes d'os de section circulaire remplis de fluide imitant la moelle osseuse a conduit à proposer une méthode de filtrage permettant de s'affranchir des réflexions parasites sur les parois de la cavité. Enfin, l'analyse du rayonnement des ondes guidées a permis de généraliser la méthode initiale à des coques de section quelconque, en particulier à une coque elliptique. A l'issue de cette thèse, on dispose d'outils permettant de caractériser des guides d'ondes de section quelconque, d'épaisseur constante dont la cavité peut être vide ou remplie d'un fluide. Cela représente un premier pas vers la caractérisation ultrasonore du col du fémur.

Le trafic de données a connu une explosion durant les dernières décennies, en raison d'une augmentation de la demande liée à la vidéo en ligne, mais aussi de la voix sur IP et le peer to peer. L'émergence du cloud computing et du cloud gaming ainsi que la haute résolution des contenus vidéo tend à accroître encore cette demande de débit. Ainsi les normes de commu- nication évoluent afin de fournir les utilisateurs avec le meilleur débit possible. De ce fait, les systèmes nécessitent d'embarquer des techniques d'accès multiples afin de séparer les utilisateurs et l'augmentation du nombre d'antennes devient indispensable. Par conséquent, ces équipements deviennent de plus en plus complexes et énergivores. Dans le but de réduire la complexité des systèmes et ainsi diminuer leur consommation, en permettant de plus de fonctionner avec de faibles puissances d'émission, le Retournement Temporel apparaît comme une solution envisageable. En effet, cette technique permet de focaliser des ondes électromagnétiques dans le temps et l'espace. Ainsi, grâce à ce procédé il devient possible de réaliser des communications multi-antennes à faible complexité et à faibles interférences entre symboles grâce à la propriété de focalisation temporelle, et à faibles interférences inter-utilisateurs grâce à la propriété de focalisation spatiale. Cependant, afin de l'adapter aux normes de communication actuelles, il est nécessaire d'étudier la combinaison du Retournement Temporel avec les systèmes multi-porteuses pré- sents dans les principales normes de communication par paquets. Le but de cette thèse est donc d'étudier le Retournement Temporel appliqué aux modula- tions multi-porteuses, et plus particulièrement à l'OFDM. Dans un premier temps, la manière de réaliser une telle combinaison est montrée dans un contexte SISO (Single Input Single Out- put). Ensuite, les avantages de synchronisation et de réduction de l'intervalle de garde d'une telle association sont décrits et analysés. Par la suite, une extension aux systèmes MISO (Multiple Input Single Output) est présenté, ainsi que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux. Les performances de ces systèmes en terme de capacité et de taux d'erreur binaire sont ensuite évaluées analytique- ment et comparées avec des systèmes concurrents. Un algorithme de modulation adaptative est ensuite ajouté au système afin d'en améliorer les performances. Ensuite, la manière de combiner le Retournement Temporel avec un système OQAM est présentée. Il est montré que cette combinaison permet de réaliser simplement des systèmes MISO-OQAM, et d'exploiter la diversité spatiale. Il est également montré ici que la combinai- son avec des codes espace temps en bloc orthogonaux est réalisable. Enfin, la robustesse du système combinant le Retournement Temporel et l'OFDM face aux erreurs d'estimation est évaluée à l'aide de deux algorithmes d'estimation de canal pour les systèmes multi-porteuses.

Le travail présenté dans cette thèse concerne la mise en oeuvre numérique de techniques temporelles pour des applications en compatibilité électromagnétique (CEM) impulsionnelle, essentiellement pour des études en chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM). Prenant le contre-pied des approches fréquentielles, adaptées par nature aux études de cavités résonantes, l'idée directrice de ce mémoire a été d'étudier des moyens temporels originaux d'investigation de CRBM en vue de proposer de nouveaux paradigmes pour la caractérisation d'équipements. Originellement développé en acoustique, le processus de retournement temporel (RT) récemment appliqué aux ondes électromagnétiques permet une focalisation spatiale et temporelle de ces dernières d'autant meilleur que le milieu de propagation est réverbérant. Les chambres réverbérantes (CR) sont ainsi des endroits idéaux pour l'application du processus de RT. Après une nécessaire étude des nombreux paramètres qui gouvernent ce dernier couplée à la définition de méthodologies numériques spécifiques, les applications du RT en CRBM sont exposées. En particulier, l'intérêt d'une focalisation sélective pour des tests en susceptibilité rayonnée est démontré. L'importance des coefficients d'absorption et de diffraction des équipements en CRBM justifie leur caractérisation précise et efficace. À cette fin, la mise en oeuvre d'un calcul temporel de section efficace totale de diffraction (TSCS en anglais) est détaillée. L'application de cette nouvelle technique à différentes formes de brasseurs de modes permet au final de confronter ces résultats avec ceux obtenus à l'aide de tests normatifs CEM.